Y掺杂SrAl 2 Si 2 的电子结构与光学性质的第一性原理研究
发布时间：2021-08-03 06:40
文章采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究掺杂Y的Sr1-xYxAl2Si2（x=0,0.25,0.5和0.75）的晶体结构、电子性质和光学性质。研究发现掺杂Y的SrAl2Si2晶体结构发生了明显的压缩,Sr0.5Y0.5Al2Si2发生了相变,由三方晶系转变为单斜晶系。此外,能带结构的计算表明,SrAl2Si2是一种半金属,在导带和价带之间有很小的重叠。掺杂Y原子后,SrAl2Si2从半金属向金属转变,并且随着掺杂浓度从x=0.25,0.5到0.75,其金属性逐渐增强,这与态密度（DOS）的计算结果一致。这些结果表明,通过提高Y的掺杂浓度,SrAl2Si2基合金的热电性能很可能得到进一步的改善。最后,计算并分析了掺杂Y的Sr1...
【文章来源】：科技创新与应用. 2020,(14)
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
计算模型：（a)SrAl2Si2单胞；（b)Sr0.75Y0.25Al2Si2(2×2×1）超胞；（c)Sr0.5Y0.5Al2Si2(2×1×1）超胞；（d)Sr0.25Y0.75Al2Si2(2×2×1）超胞（绿色=Sr；紫色=Al；黄色=Si；蓝色=Y)
图2为计算的Sr1-xYxAl2Si2(x=0,0.25,0.5,0.75）的能带结构图。从图2(a）中可以看出，在价带顶附近有两条σ带穿过费米能级（EF），而在导带低附近有一条类似Srd带穿过EF，这表明SrAl2Si2具有明显的半金属性。计算所得SrAl2Si2的费米面图如图3所示，从费米面图也可以看出它在布里渊区Γ点附近存在两个空穴型费米面，在布里渊区M点附近存在一个电子型费米面。另外，SrAl2Si2的能带结构与同类材料CaAl2Si2[10]非常相似。当x=0.25时，Sr0.75Y0.25Al2Si2的空穴型能带消失，费米能级上移，材料转变为金属性质的，其能带结构图如图2(b）所示。此外，从图2(c）和图2(d）看出，随着Y原子掺杂浓度的增加，Sr1-xYxAl2Si2的金属性增强且费米能级逐渐上移。上述关于能带结构的变化是合理的，这是因为用较小的Y原子替代Sr原子会在体系中产生一个正化学压力，从而导致带隙减小；与此同时，每个Y原子比Sr原子多提供了一个价电子，这会促使费米能级EF上移。[12]能带结构的计算结果表明：Y掺杂到SrAl2Si2可以使其金属性增强，这为提高SrAl2Si2材料的热电优值提供了一个很好的思路，使该材料体系成为更具潜力的候选热电材料。另一方面，Y原子掺杂量的多少对能带结构影响明显，这会导致材料的传输特性也随之变化。图3 SrAl2Si2的费米面图
图2 Sr1-xYxAl2Si2的能带结构图：（a)x=0;(b)x=0.25;(c)x=0.5;(d)x=0.75本征SrAl2Si2的总态密度（TDOS）和分态密度（PDOS）图如图4所示。从图中看出，在-4 eV到8 eV,SrAl2Si2的总态密度主要由Sr原子的5s、3d态和（Al,Si）的3p态贡献，且在价带区域存在Sr 3d和（Al,Si)3p态之间的杂化。但导带底部主要由Sr 3d态贡献，价带顶部主要来自Al3p态的贡献，这是由于它的电负性效应。Si原子在EF邻近几乎没有贡献。SrAl2Si2在费米能级处的态密度大约为每单胞0.70/eV。
本文编号：3319147
【文章来源】：科技创新与应用. 2020,(14)
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【部分图文】：
计算模型：（a)SrAl2Si2单胞；（b)Sr0.75Y0.25Al2Si2(2×2×1）超胞；（c)Sr0.5Y0.5Al2Si2(2×1×1）超胞；（d)Sr0.25Y0.75Al2Si2(2×2×1）超胞（绿色=Sr；紫色=Al；黄色=Si；蓝色=Y)
图2为计算的Sr1-xYxAl2Si2(x=0,0.25,0.5,0.75）的能带结构图。从图2(a）中可以看出，在价带顶附近有两条σ带穿过费米能级（EF），而在导带低附近有一条类似Srd带穿过EF，这表明SrAl2Si2具有明显的半金属性。计算所得SrAl2Si2的费米面图如图3所示，从费米面图也可以看出它在布里渊区Γ点附近存在两个空穴型费米面，在布里渊区M点附近存在一个电子型费米面。另外，SrAl2Si2的能带结构与同类材料CaAl2Si2[10]非常相似。当x=0.25时，Sr0.75Y0.25Al2Si2的空穴型能带消失，费米能级上移，材料转变为金属性质的，其能带结构图如图2(b）所示。此外，从图2(c）和图2(d）看出，随着Y原子掺杂浓度的增加，Sr1-xYxAl2Si2的金属性增强且费米能级逐渐上移。上述关于能带结构的变化是合理的，这是因为用较小的Y原子替代Sr原子会在体系中产生一个正化学压力，从而导致带隙减小；与此同时，每个Y原子比Sr原子多提供了一个价电子，这会促使费米能级EF上移。[12]能带结构的计算结果表明：Y掺杂到SrAl2Si2可以使其金属性增强，这为提高SrAl2Si2材料的热电优值提供了一个很好的思路，使该材料体系成为更具潜力的候选热电材料。另一方面，Y原子掺杂量的多少对能带结构影响明显，这会导致材料的传输特性也随之变化。图3 SrAl2Si2的费米面图
图2 Sr1-xYxAl2Si2的能带结构图：（a)x=0;(b)x=0.25;(c)x=0.5;(d)x=0.75本征SrAl2Si2的总态密度（TDOS）和分态密度（PDOS）图如图4所示。从图中看出，在-4 eV到8 eV,SrAl2Si2的总态密度主要由Sr原子的5s、3d态和（Al,Si）的3p态贡献，且在价带区域存在Sr 3d和（Al,Si)3p态之间的杂化。但导带底部主要由Sr 3d态贡献，价带顶部主要来自Al3p态的贡献，这是由于它的电负性效应。Si原子在EF邻近几乎没有贡献。SrAl2Si2在费米能级处的态密度大约为每单胞0.70/eV。
本文编号：3319147
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